全固态连续单频455 nm 蓝色激光与铯原子高能态跃迁吸收线62S1/272P3/2相匹配, 是发展远距离水下量子通讯的重要光源。且455 nm 激光还对应于钡离子138Ba2+的跃迁能级6S1/26P3/2, 应用于量子计算领域, 有利于减小量子计算及精密测量的系统误差。本文设计了内腔倍频式全固态高功率连续单频455 nm 蓝光钛宝石激光器, 优化了激光器谐振腔结构与激光振荡阈值, 采用准相位匹配的MgO:PPSLT晶体作为内腔倍频器, 当绿光泵浦功率为11.5 W 时, 获得了最高输出功率为427 mW 的单频455 nm 蓝色激光, 光光转换效率为3.7%, 蓝光光束质量M2因子优于1.18。

自行研制出钛宝石晶体抽运的波长为532 nm的全固态高功率激光器,实现了高功率、高转换效率的可调谐钛宝石激光输出。使用3列重复频率为1 kHz的激光二极管阵列对称式抽运Nd∶YAG晶体,通过调Q及腔内倍频,获得功率为37.8 W、波长为532 nm的抽运光,每个激光二极管的抽运脉冲包络内包含5个调Q脉冲,单脉冲宽度为90 ns,重复频率为5 kHz。采用该绿光抽运钛宝石晶体,获得733.5~871.1 nm波长范围内的连续调谐激光,在771 nm处获得的输出功率最大,为8.26 W,光-光转换效率高达42%,脉冲宽度为14 ns,30 min内输出功率稳定性优于±4.4%。

采用自制的全固态高功率532 nm单频绿光激光器端面抽运布氏角切割的钛宝石晶体, 设计了紧凑、稳定、像散自补偿的嵌入式六镜环形谐振腔结构。通过调节抽运光与振荡光之间的最佳模式匹配关系, 实现了高光束质量、高转换效率的900 nm波段全固态单频可调谐钛宝石激光器。当抽运功率为15 W、输出镜在922 nm处定点透射率为4.5%时, 获得了平均输出功率大于2 W、波长可调谐范围为852~934 nm的宽带可调谐单频红外激光器, 3 h内的功率稳定性优于±0.7%, 光束质量因子M2<1.04。

设计了一种基于LabVIEW控制的自动宽调谐的连续单频钛宝石激光器, 通过波长计测量激光器输出波长, 用LabVIEW程序读取该波长值并产生控制信号, 反馈控制腔内调谐元件双折射滤波片(BRF)的角度, 实现对激光器输出波长的调谐。此外, 基于波长计测量的系列波长值, 构建了BRF角度与激光器输出波长值的一一对应关系, 由LabVIEW程序根据不同的波长设定值控制BRF旋转不同的角度, 使钛宝石激光器不需要波长计也能实现自动调谐, 简化了激光器系统。对实验设计的钛宝石激光器进行自动调谐, 测量得到其调谐范围为110 nm。

对两个1.45 W/520 nm绿光半导体激光器的输出光束进行整形, 再将其聚焦到钛宝石激光晶体上进行抽运, 并结合GTI(Gires-Tournois Interferometer)镜对腔内色散给予补偿, 实现了稳定的克尔透镜锁模运转, 输出脉冲激光的脉宽为91 fs, 输出功率为208 mW, 输出单脉冲能量为1.59 nJ;优化腔型参数后, 获得的最窄脉宽为82 fs;缩短腔长后, 获得的最高输出功率为232 mW。

利用全固态单频绿光激光器作为抽运源抽运钛宝石晶体，采用六镜环形谐振腔结构。在谐振腔内插入I类临界相位匹配的LBO 晶体进行腔内倍频，TGG 晶体和宽带半波片(HWP)组成的光学单向器保证单频运转。加入三片厚度分别为1、2、4 mm 的双折射滤波片组合和一片0.25 mm 的控温标准具片作为调谐元件，实现了高功率单频可调谐461 nm 蓝光钛宝石激光器。在14 W 的抽运功率下，选取LBO 倍频晶体的最佳长度为7.3 mm 时，获得了最大功率为1.02 W 的单频可调谐蓝光输出，中心波长为460.86 nm，3 h 内其长期稳定性优于±1.3%，光束质量得到了明显的改善，其M²因子优于1.59，蓝光最大调谐范围为20 nm。

提出了一种利用弛豫振荡频率测量单频激光器腔内损耗的简单方法。通过对单频激光器的弛豫振荡频率，输出功率以及腔内损耗之间关系的分析，理论得到了单频激光器腔内损耗的表达式；通过在实验上测量单频钛宝石激光器的输出功率和相应功率下的弛豫振荡频率，利用理论计算公式以及钛宝石激光器的相关参数即可获得激光器的腔内损耗值。

对前置光电负反馈抑制钛宝石激光器强度噪声方法的特性进行了理论分析，表明注入噪声不同时对应的最佳反馈增益不同。利用前置光电负反馈方法，在实验上实现了全固态连续单频可调谐钛宝石激光器低频段的强度噪声抑制，通过调节反馈增益，使激光器的强度噪声抑制程度最大。在分析频率为1.125 MHz处，强度噪声由原来的8.7 dB降低到了1.4 dB，抑制程度达7.3 dB。调节反馈增益和相位延时，可以获得不同分析频率的强度噪声的降低。

报道了一种基于国产非成对设计的啁啾镜作为腔内色散补偿的钛宝石激光器, 在93.7 MHz的重复频率下, 得到了平均功率为120 mW的稳定的锁模脉冲输出, 经腔外色散补偿, 得到了最窄9.7 fs的脉冲宽度。通过调节腔内光楔的插入量, 研究了锁模光谱与自相关曲线随腔内净色散的演化过程。基于非线性薛定谔方程的分步傅里叶算法对激光器建立了数值模型, 数值模拟的参数选取均与实验中完全一致, 利用10阶泰勒展开模拟啁啾镜的色散曲线振荡, 获得了谐振腔零色散点附近锁模的动力学过程, 并分析了啁啾镜的高阶色散对脉冲宽度压缩的限制。

从理论和实验分析讨论了全固态连续单频可调谐钛宝石激光器的输出功率与最佳耦合透射率以及腔内损耗之间的关系,并根据实验数据确定的腔内损耗和最佳透射率,设计和优化激光器,使其输出功率和稳定性都得到较大提高。当抽运功率为8 W,输出耦合镜的透射率为3.1%时,可调谐钛宝石激光器的输出功率达到2 W(792 nm),斜率效率为37.6%,1h内的功率稳定性优于±0.5%,波长调谐范围720-820 nm,激光器被锁定后,10 s内其频率稳定性优于±134 kHz,15 min内的频率稳定性优于±3.3 MHz。